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Curso de electrónica - Primera parte


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En el presente curso de electrónica voy a explicarles detalladamente cada aspecto de esta tecnología casi indispensable en nuestras vidas, ya que la misma es el alma de un enorme espectro de aparatos necesarios para trabajar, comunicarnos, entretenernos e incluso mantenernos sanos; que incluye entre otros; computadoras, calculadoras, televisores, radios, teléfonos celulares, reproductores de DVD o Blueray, cámaras fotográficas, consolas de videojuegos, dispositivos medicinales, microscopios, satélites, etc.

La idea de este curso es que aquellos que no saben electrónica terminen aprendiendo todo, llegando a un nivel de conocimientos avanzado, suficiente para poder ponerlos en práctica, entendiendo cómo funcionan los distintos artefactos electrónicos, pudiendo repararlos e incluso diseñar sus propios artefactos. Pues basta de palabras y comencemos nuestro viaje a través del apasionante mundo de la electrónica.
 

TEORÍA DE LA CORRIENTE CONTINUA

 

CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LA ELECTRICIDAD

 

Electricidad estática

Fue descubierta hace ya muchos siglos, cuando se notó que frotando ciertos tipos de materiales, éstos extrañamente se atraían unos a otros. Por ejemplo cuando se frotaba un pedazo de seda con un tubo de vidrio, los mismos tendían a adherirse. De hecho había una fuerza de atracción la cual podía detectarse aún cuando los dos objetos se separaban a una cierta distancia.
 
Atraccion electrostatica
Pero la seda y el vidrio no eran los únicos materiales en comportarse de esa extraña manera; entre muchos otros, la cera de parafina y la lana también presentaban este tipo de fuerzas de atracción luego de ser frotados uno con otro.
 
Attraccion electrostatica
 
Pero ese extraño fenómeno se volvió aún más interesante cuando se descubrió que luego de frotar objetos hechos del mismo material, cada uno con sus respectivas telas, los mismos tendían a repelerse uno con el otro. Por ejemplo, si se frotaban dos tubos de vidrio, cada uno con su respectivo pedazo de seda, presentaban fuerzas de repulsión. Lo mismo si se frotaban dos pedazos de cera de parafina cada uno contra sus respectivos trozos de lana, los pedazos de cera se repelían.
 
Repulsion electrostatica
Otra cosa que se había observado es que si se frotaba un tubo de vidrio con una tela de seda y dicho tubo de vidrio era acercado a un pedazo de cera que fue frotado con una tela de lana, el vidrio y la cera se atraían.
Atracion electrostatica 
Además se encontró que cualquier material que demostrara propiedades de atracción o repulsión luego de ser frotado podía clasificarse en una de dos categorías; aquella de los materiales atraídos por vidrio y repelidos por la cera; o la otra categoría de materiales atraídos por la cera y repelidos por objetos de vidrio. Solamente podían pertenecer a una categoría, por lo que no se habían hallado materiales que fueran atraídos o repelidos por ambos, ni tampoco que reaccionaran con uno sin reaccionar con el otro.

Por otro lado también se había observado que dos telas de seda utilizadas para frotar a dos tubos de vidrio también se repelían una de la otra así como las telas de lana utilizadas para frotar los trozos de cera.

Repulsion electrostatica
Todo esto era bastante extraño, ya que ninguno de estos objetos era alterado visualmente por el frotamiento, pero aún así se comportaban de manera distinta luego de ser frotados. Por lo tanto era muy obvio que cualquier cambio ocurrido en ellos que hacía que se atrajeran o repelieran, era invisible; y era más que seguro que algo sucedía en ellos tras frotarse.

Algunos investigadores pensaban que había algún tipo de "fluido invisible" que se transfería de un objeto a otro durante el proceso de frotamiento y que dicho fluido era capaz de ejercer una fuerza a la distancia.

Charles Du Fay era un químico e investigador que en 1733 demostró que habían dos tipos diferentes de alteraciones causadas por el frotamiento de un cierto par de objetos. El hecho de que habían más de un tipo de cambios en estos materiales era evidenciado por la presencia de dos fuerzas distintas producidas; una de atracción y otra de repulsión. Determinó entonces que habían dos fluidos invisibles; uno denominado vítreo y otro resinoso. Dichos fluidos invisibles pasarían más tarde a llamarse cargas.

Un científico, investigador y político muy conocido, Benjamin Franklin, a mediados del siglo XVIII, llegó a la conclusión de que en realidad había un sólo fluido invisible entre los objetos frotados y que los dos tipos de cargas no eran otra cosa más que un exceso o falta de aquel fluido. Luego de experimentar con cera y lana, Franklin sugirió que cuando se frotaba la lana áspera contra la cera lisa y tersa, se extraía o restaba una cantidad determinada del fluido invisible de la cera el cual se dirigía o quedaba adherido a la lana, causando un exceso de fluido en esta última y un déficit del mismo en la cera. Esa diferencia en cantidad de fluido entre ambos materiales, producía una fuerza de atracción; ya que éste intentaba recuperar un nivel balanceado entre ambos materiales, sin excedentes ni faltantes en los mismos. O sea que provocando este acercamiento, ese fluido excesivo de la lana podría volver a su objeto original donde había un déficit.

Utilizando un postulado que indicaba que había un sólo fluido, el cual se ganaba o se perdía en determinada cantidad durante el frotamiento de dos materiales, se podía interpretar mejor este extraño fenómeno. Así se crearon dos categorías de clasificación de materiales, los cuales solamente podían pertenecer a una categoría; la de los que perdían una cantidad de fluido invisible luego de ser frotados y la de aquellos que ganaban una cantidad de dicho fluido. Esto hacía que indefectiblemente dos materiales distintos que luego de ser frotados siempre presentaban una fuerza de atracción fueran clasificados en categorías opuestas, en otras palabras, si se atraían no podían pertenecer a un mismo grupo o categoría de materiales, ya que siempre uno perdía una cantidad de carga y el otro ganaba esa misma cantidad.

Siguiendo aquel modelo de Franklin en el que tras frotarse la lana se arrancaba algo invisible de la cera, el tipo de carga asociada a la cera frotada pasó a llamarse negativa (ya que se consideraba que perdía una cierta cantidad de fluido, creando un faltante), mientras que la carga asociada a la lana frotada se denominó positiva (ya que se suponía que aquella cantidad de fluido arrancado de la cera era tomado por la lana, obteniendo un excedente).

En 1780 el físico Charles Coulomb, logró medir la fuerza de atracción o repulsión generada entre dos objetos cargados utilizando una herramienta de alta precisión llamada balanza de torsión, la cual cuenta con un péndulo de torsión. El resultado de su trabajo dio una nueva unidad de medida, la cual mide la carga eléctrica; dicha unidad pasó a llamarse Coulomb en su honor. Si dos objetos puntuales (objetos hipotéticos sin área superficial o volumen apreciable) tienen cada uno 1 coulomb de carga y se encuentran a una distancia de 1 metro, generarían una fuerza de atracción o repulsión de aproximadamente 10.000 millones de Newtons (unidad de medida de fuerza), o sea aproximadamente una fuerza similar a la ejercida por 1.000 millones de kilogramos.
 

Mucho tiempo después, en el siglo XIX, se descubrió que aquel fluido invisible, estaba compuesto por unas partículas de materia muy pequeñas que se denominaron electrones. Además, luego de años investigaciones se halló que todos los objetos de la naturaleza (la materia en general) están formados por pequeñísimos cuerpos elementales, llamados átomos; y que a su vez los átomos están compuestos por partículas aún más pequeñas, llamadas protones, neutrones y electrones.
 
Los átomos son demasiado pequeños para poder ser vistos
(miden aproximadamente 8 x 10-16 metros o 0,8 femtómetros o 0,8 diezbillonésimas de centímetro). No obstante ya se conoce bien su estructura, la cual es similar a esta:
 
  Atomo de carbono
 
 
En la imagen se ve un átomo de carbono, en cuyo centro hay un núcleo compuesto por protones y neutrones, mientras que a su alrededor orbitan los electrones. A pesar que cuando se ve un objeto haría suponer que cada átomo es una unidad compacta, en realidad hay un enorme espacio vacío entre el núcleo de protones y neutrones del centro y los electrones que giran a su alrededor.

Existen muchos tipos de átomos, cada uno de los cuales se denomina elemento químico, con distintas propiedades químicas y físicas, acorde a la cantidad de protones, neutrones y electrones que tiene. Lo que determina el tipo de elemento químico es la cantidad de protones que contienen sus átomos. Para ver una tabla completa con todos los elementos químicos conocidos hasta el momento, pueden entrar aquí: Tabla periódica de elementos químicos

La imagen de arriba muestra un átomo de carbono, con 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones. En todos los átomos los protones y neutrones se encuentran fuertemente unidos uno con el otro, formando el núcleo. Como ya se mencionó, la cantidad de protones de un átomo determinan su identidad elemental; o sea que si se cambia el número de protones en un átomo, se cambia el tipo de elemento químico. Por ejemplo, cada átomo de plomo simbolizado como Pb tiene 82 protones en su núcleo; si se lograran quitar tres de ellos en cada átomo, obtendríamos oro, ya que cada átomo de oro contiene en su núcleo 79 protones, y así se cumpliría el sueño de los alquimistas de poder producir oro. Por lo tanto, por la cantidad de protones de un átomo nos damos cuenta a qué elemento pertenece. Eso sí, la fuerza con que están unidos los protones y neutrones es tan fuerte, que se requiere mucha energía para poder quitar cada protón, de hecho esa fuerza que los enlaza se llama fuerza nuclear fuerte; y es en gran parte la responsable de conservar estable la identidad de cada átomo, ya que difícilmente se pueden convertir de un tipo de elemento a otro.

Por su parte los neutrones influyen mucho menos en las características químicas de un átomo que los protones, a pesar que son igual de difíciles de agregar o arrancar del núcleo, gracias a la energía nuclear que los mantiene unidos junto a los protones. Si se agregan neutrones en un átomo, el mismo conservará su identidad química, pero su masa cambiará provocando variaciones en sus propiedades nucleares, como por ejemplo radioactividad.

En cambio los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas determinados, como se ven en la imagen de arriba. De hecho si se les aplica una cantidad determinada de energía también pueden moverse o saltar a otras órbitas más externas e incluso ser arrancados por completo de los átomos. Esta energía aplicada a los electrones para que puedan saltar de una órbita de menor radio a una de mayor, debe ser superior a la energía de atracción ejercida por los protones del núcleo; y mucho mayor aún para lograr que escape del átomo.

La energía necesaria para mover de una órbita o arrancar a un electrón del átomo es mucho más débil que la necesaria para arrancar a un neutrón o protón del núcleo. Si se arranca un electrón del átomo, éste sigue teniendo las mismas propiedades químicas, aunque se provoca un desequilibrio. Los electrones y los protones se mantienen atraídos por una fuerza llamada electromagnética (mucho más débil que la nuclear fuerte que mantiene vinculados a los protones y neutrones).

Cada átomo tiende a tener la misma cantidad de protones y electrones, por lo que si se arranca un electrón, se da un desequilibrio, haciendo que el átomo intente volver a su estado balanceado recuperando un electrón para cubrir ese espacio faltante y así contar nuevamente con la misma cantidad de electrones y protones. Esa falta de electrones en un átomo es lo que provoca la atracción hacia otros átomos donde hay un excedente de los mismos. Es por eso que cuando se frotan dos objetos, muchos electrones de un objeto son arrancados y se pasan a otro, haciendo que ese desequlibrio (déficit de electrones en los átomos de un objeto y exceso de electrones en los átomos del otro) provoque una fuerza atractiva entre los protones de los átomos de un objeto y los electrones excedentes de los átomos del otro objeto, lo cual hace que los objetos se acerquen o atraigan.

Así como los electrones y los protones se atraen a una distancia, los protones se repelen entre sí, igualmente que los electrones entre sí. La única razón por la que los protones se mantienen unidos entre sí en el núcleo del átomo es por la fuerza nuclear fuerte, la cual es muchísimas veces mayor que la fuerza electromagnética que los repele. Eso sí, la fuerza nuclear, a diferencia de la electromagnética, tiene efecto a cortas distancias.

Dado ese comportamiento de atracción y repulsión entre las partículas individuales, se dice que los electrones y los protones tienen cargas eléctricas opuestas. O sea, cada electrón tiene carga negativa y cada protón tiene carga positiva. Si se mantienen en igual número dentro de un átomo, se dice que la carga neta del mismo es neutra o cero. Por eso en la imagen de arriba de un átomo de carbono se ve que hay 6 electrones, para poder balancear la cantidad de 6 protones presentes en su núcleo. Si se arrancan o agregan electrones, la carga eléctrica neta del átomo se desequilibraría, haciendo que el átomo esté cargado positivamente (por tener más protones que electrones) o negativamente (por tener más electrones que protones), haciendo que interactúe con otros átomos cargados cercanos.

Los neutrones no son ni atraídos ni repelidos por los electrones, protones o incluso otros neutrones, y por consiguiente se clasifican como neutrales o sin carga (de ahí el origen de su nombre neutrón).

Ese proceso descrito de electrones agregados o quitados de los átomos, es exactamente lo que ocurre cuando ciertos materiales son frotados. Los electrones de un material, tras ser frotado, son arrancados de sus átomos y transferidos a los átomos del otro material. En otras palabras, los electrones son aquel famoso fluido invisible del que hablaban investigadores como Du Fay y Franklin.

Luego de varias investigaciones se logró precisar que la unidad de carga coulomb; como se dijo antes, la cantidad de fuerza generada entre dos objetos puntuales cargados (objetos hipotéticos sin área superficial o volumen apreciable), o sea 1 coulomb de carga, equivale a un exceso o déficit de 6.241.502.650.000.000.000 electrones en un objeto. Dicho de otra manera cada electrón tiene una carga eléctrica de 0,00000000000000000016 coulombs (1 / 6.241.502.650.000.000.000). Ya que cada electrón es el menor portador de carga conocido, a ese valor se lo define como la carga elemental.
 
El resultado del desequilirio de este "fluido" (electrones) entre objetos, se denomina electricidad estática. Se la llama estática porque los electrones arrancados tienden a permanecer en el objeto a los que fueron transferidos.
En el caso de la lana y la cera con las que experimentó Franklin; muchos años después, luego de más experimentos, se determinó que en realidad los electrones de la lana eran transferidos a la cera y no al revés, contrariamente a lo dicho por Franklin. Por eso, en honor a la designación dada por Franklin, en la que la lana estaba cargada positivamente (por creer que absorbía fluido) y la cera negativamente (por creer que perdía fluido por su tersura), se dice que los electrones están cargados negativamente. De esta manera, un objeto cuyos átomos han recibido un excedente de electrones está cargado negativamente, mientras que un objeto cuyos átomos tienen un faltante de electrones está cargado positivamente.
 
Por más confuso que pareciera, para el momento en que se descubrió la verdadera naturaleza eléctrica de aquel "fluido", la nomenclatura creada por Benjamin Franklin ya estaba bien establecida entre los científicos y técnicos, haciendo muy difícil su modificación, por lo que perdura hasta la actualidad.

Es importante aclarar que los electrones son muchísimo más pequeños que los protones, de hecho tienen una masa 1836 veces menor a aquella de los protones. Por ende la mayor parte del peso atómico de los distintos elementos está determinado por la suma de los protones y neutrones presentes en sus núcleos.
 
 
Resumiendo lo tratado en este primer capítulo:

  • Toda la materia del universo está compuesta por diminutos cuerpos elementales llamados átomos.
  • Todos los átomos están formados por protones, neutrones y electrones. (Los átomos del elemento Hidrógeno H no tienen neutrones).
  • Los protones y los neutrones se encuentran en el centro del átomo formando un núcleo atómico.
  • Los electrones giran alrededor del núcleo atómico en orbitales ubicados a distancias determinadas.
  • Los electrones tienen carga eléctrica negativa.
  • Los protones tienen carga eléctrica positiva.
  • Los neutrones no tienen carga, son neutros.
  • Los electrones tienen una masa 1836 veces menor a la de los protones.
  • La fuerza que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo se denomina fuerza nuclear fuerte, mientras que la que mantiene unidos a los electrones y protones se denomina fuerza electromagnética.
  • La fuerza electromagnética es mucho más débil que la nuclear fuerte.
  • Los objetos de carga negativa se atraen con los de carga positiva, así como el protón y el electrón; mientras que aquellos con el mismo tipo de carga se repelen. En otras palabras, los polos opuestos se atraen.
  • Los electrones pueden ser arrancados más fácilmente de un átomo que un protón o un neutrón, aplicando una cantidad de energía.
  • La cantidad de protones en un átomo determinan su identidad como elemento químico.

Continúa en Curso de electrónica - Parte 2 >>


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Comments

 disculpen donde puedo

 disculpen donde puedo encontrar el curso completo de electronica. aqui solo hay 4 partes.  se los agradezco. un saludo.

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